高溫差下隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力特性研究.pdf

1、在高溫高壓環(huán)境下的隧洞(道)工程中、高放射性核廢料地下貯存等,高溫差環(huán)境下裂隙巖體(圍巖)與襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的熱-力(TM)耦合特性直接影響巖石工程的設(shè)計(jì)、施工。本文依托正在建設(shè)的西部某水電高溫隧洞(隧道洞局部巖石最高溫度105℃),基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、解析分析、數(shù)值試驗(yàn)研究高溫差環(huán)境下隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)熱力耦合特性,以期為高溫隧道設(shè)計(jì)分析、施工提供理論基礎(chǔ)與依據(jù)。本文的主要研究結(jié)論與成果如下:
　　(1)、通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得到隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)

2、在不同工況下溫度場(chǎng)分布特征,建立了隧洞圍巖溫度分布預(yù)測(cè)模型與復(fù)合襯砌溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)模型。
　　通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),得出隧洞圍巖襯砌結(jié)構(gòu)在不同工況下溫度場(chǎng)的分布變化特征,基于現(xiàn)場(chǎng)溫度實(shí)測(cè)建立了的溫度場(chǎng)計(jì)算模型與復(fù)合襯砌溫度場(chǎng)模型,利用傅立葉定律推導(dǎo)出圓形隧洞在無任何支護(hù)隔熱措施下溫度影響范圍內(nèi)的圍巖溫度分布公式與復(fù)合襯砌隧洞的溫度場(chǎng)分布公式,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在不同條件下,本文計(jì)算值與實(shí)測(cè)值具有較好的一致性。
　　(2)、通過

3、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了高溫差環(huán)境下隧洞襯砌熱應(yīng)力變化特征并通過不同的襯砌隔熱材料,試驗(yàn)對(duì)比分析了不同隔熱材料的隔熱效果與適應(yīng)性。
　　在全面了解高溫隧洞圍巖溫度分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了高溫隧洞 TM耦合下襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形。在隧洞進(jìn)水后,襯砌原來所承受的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力值瞬間增加很快。拉應(yīng)力的量值與隧洞埋深H、直徑D,圍巖原始地溫T,襯砌厚度h密切相關(guān)。在隧洞開始排水之后,邊墻環(huán)向拉應(yīng)力值降低,此后,隨著隧洞水

4、體的排空,環(huán)向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。拉破壞是高溫隧道襯砌可能破壞的主要模式。
　　三種保溫材料 XPS(擠塑聚苯乙烯薄膜板)、EPS(發(fā)泡保溫板)、泡沫玻璃表現(xiàn)出不同的隔熱效果,從而對(duì)于襯砌受力表現(xiàn)出不同的影響。對(duì)于隔熱材料XPS與泡沫玻璃,在進(jìn)行過水時(shí),洞壁溫度發(fā)生改變時(shí),表現(xiàn)出良好的隔熱效果,有效地阻滯了襯砌環(huán)向應(yīng)力的進(jìn)一步增大,泡沫玻璃隔熱效果要優(yōu)于XPS。
　　(3)、解析得到了隧洞開挖過程中圍巖熱應(yīng)力與運(yùn)行期不同溫度微

5、步時(shí)刻襯砌熱應(yīng)力的變化分布規(guī)律。
　　在分析隧洞開挖時(shí)引起的圍巖應(yīng)力、應(yīng)變變化的基礎(chǔ)上,對(duì)于開挖高溫洞室,提出了溫度與開挖共同影響洞室圍巖應(yīng)力場(chǎng)特性的分析模型;推導(dǎo)了開挖卸荷與溫度變化相互影響引起的隧道圍巖任意深度處的變形與應(yīng)力分布解析表達(dá)式。基于此模型,提出襯砌 TM耦合分析微步溫變分析法,對(duì)高溫隧道運(yùn)行期過水時(shí)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)TM耦合分析,比較真實(shí)地反映襯砌在不同工況下的應(yīng)力變化分布規(guī)律。
　　(4)、通過系統(tǒng)數(shù)值